Batterijen met een hoge energiedichtheid zijn essentieel om te voldoen aan de vraag naar toekomstige toepassingen in draagbare elektronica en elektrische voertuigen. Door de theoretische energiedichtheid van 2600 Wh/kg, de lithium-zwavelbatterij wordt beschouwd als een veelbelovende kandidaat voor de volgende generatie, oplossingen voor hoge energiebatterijen. Echter, tekortkomingen in snelle capaciteitsdegradatie en lage cyclische efficiëntie zijn niet opgelost, die de praktische toepassing van lithiumzwavelbatterijsysteem belemmert. Een onderzoeker aan de Tsinghua University heeft een ternair gelaagd scheidingssysteem voorgesteld voor lithium-zwavelbatterijen met een lange levensduur, hoge coulombefficiëntie, en hoog zwavelgebruik.

"Een nieuwe generatie oplaadbare lithium-zwavelbatterijen vertrouwt op multi-elektronenoverdracht redoxchemie, " zei Dr. Qiang Zhang van de Tsinghua University tegen Phys.Org. "Behalve de hoge energiedichtheid, lithium-zwavelbatterijen hebben voordelen ten opzichte van gewone lithium-ionbatterijen, zoals goedkoop kathodemateriaal en operationele prestaties bij lage temperaturen."

Ondanks het voordeel van lithiumzwavelsystemen, er bestaat een inherent shuttle-effect van polysulfide-tussenproducten in een lithium-zwavelcel. "Dergelijke shuttle-effecten veroorzaken de lage Coulomb-efficiëntie en veroorzaken capaciteitsdegradatie via consumptie van actieve zwavel en interne chemische reactie, " zei Dr. Jia-Qi Huang, een universitair hoofddocent aan de Tsinghua University.

Deze onderzoeksgroep heeft grote inspanningen geleverd voor een ion-selectieve separator voor lithium-zwavelcellen. Gebaseerd op fysieke opsluiting en elektrostatische afstoting, de onderzoekers bedekten het oppervlak van routinematige polymeerscheiders met ultradunne grafeenoxide (GO) nanosheets en wierpen er vervolgens een dunne Nafion-laag op. "In de structuur van een ternair gelaagde separator, macroporeuze polypropyleen separator dient als matrixlaag en verschaft mechanische sterkte voor de separator. GO-platen vormden een laag met kleine kanalen voor het transport van lithiumionen en dienden als een compacte barrièrelaag met geoxygeneerde functionele groepen om Nafion te verankeren. Op deze manier, we kunnen de oppervlaktebelasting van de Nafion-vertragende laag aanzienlijk verlagen en de permselectiviteit voor lithiumionen tegen polysulfide-anionen behouden. Zowel elektrostatische afstoting als grootteselectief effect zijn effectief bij deze strategie." zei Ting-Zhou Zhuang, een masterkandidaat in de onderzoeksgroep.

In totaal, de functionele laadlaag op de routinescheider is slechts 0,053 mg cm ^-2 . Wanneer de ternaire scheider wordt ingebouwd in lithium-zwavelbatterijen, de ontlaadcapaciteit is verbeterd van 969 naar 1057 mAh g ^-1 ; de efficiëntie van Coulomb steeg van 80 naar 95% zonder het LiNO3-additief; de vervalsnelheid werd verlaagd van 0,34% tot 0,18% in 200 cycli; en de zelfontlading werd geremd. Het zwavelgebruik bereikte 73% met een hoog zwavelgehalte van 4,0 mg cm ^-2 .

"Van membraanmodificatie is aangetoond dat het een effectieve methode is voor lithium-zwavelbatterijen. De ternaire membraanstructuur maakt optimaal gebruik van elke bouwsteen, en de meerlaagse composietscheider is efficiënter dan een enkellaagsscheider. Deze strategie biedt nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van een multifunctionele separator voor betere batterijen", aldus Qiang Zhang.

Een proof-of-concept ternaire separator van een gelaagde PP/GO/Nafion is rationeel ontworpen, gefabriceerd, en toegepast in Li-S-batterijen met verbeterd zwavelgebruik, coulomb efficiëntie, en een lang fietsleven. Dit werk biedt een concept van een ternair systeem, waarin de rationele combinatie van bouwstenen in hiërarchische structuren onmisbaar was om hun rol in het ternaire systeem volledig te demonstreren met multi-functies en multi-applicaties.